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尺寸骤减90%,800V电动汽车找到复杂隔离难题新方法

时间:2022-05-17 10:03:45 作者:邵乐峰 阅读:
随着电动汽车向800V电池过渡时,系统设计人员往往既需要确保车辆可靠和安全运行,又需要同时减小解决方案尺寸和降低成本,如果不能在隔离技术中集成更多功能,系统设计人员就将陷入寻找解决复杂隔离难题新方法的窘境中。
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作为在高压和安全关键型应用中实现超高工作电压和可靠性,同时缩小解决方案尺寸并降低成本的关键一环,从个人电子产品、工厂/楼宇自动化,到汽车、智能电网和医疗设备,隔离产品在所有需要确保系统稳健可靠运行的场合中都扮演着关键角色。

例如随着新一代电动汽车从400V电池系统过渡到800V电池系统,需要通过隔离来实现敏感电子元器件与快速瞬变高压组件(例如电机)之间的安全通信;以电网基础设施、机器人和电机控制为代表的新一代工业系统,只有通过隔离才能实现以下目标:

  • 针对可能损坏设备或伤害人身安全的高压浪涌提供保护。
  • 互连时如涉及较大的接地电位差(GPD),则可省去接地环路。
  • 安全地与电机驱动系统中的高侧组件通信。
  • 在共模瞬态事件期间保持数据完整性。

德州仪器(TI)电源开关、接口和照明部门副总裁兼总经理Troy Coleman表示,在过去近25年里,TI一直深耕隔离领域,特别是为高压系统开发隔离制造技术和集成电路。从推出业内先进的SiO2电容隔离器,到发布和认证多千伏级产品,再到几百万小时的可靠性测试和投资开发300mm制造领域的隔离技术,TI希望用与众不同的设计帮助客户实现满足超高压、可靠性、抗扰性和性能要求的强大系统。

更小的尺寸,更可靠的隔离

具有集成10V栅极电源的TPSI3050-Q1隔离式开关驱动器、TPSI2140-Q1 1400V、50mA隔离式开关、隔离式直流/直流偏置电源模块UCC14240-Q1、增强型隔离比较器AMC23C12是TI在隔离领域的最新成果。

使用独特方法设计的TPSI3050-Q1和TPSI2140-Q1在单一隔离栅集成了电源和信号隔离,与现有的机电继电器和固态光继电器相比,在提高可靠性的同时显著减小了解决方案尺寸和降低成本。

“它们是TI全新固态继电器产品系列中的第一款,今后还将包括专为高压工业应用设计的产品。“按照Troy Coleman的说法,这些器件完美体现了TI研发团队如何与产品团队密切合作来发现市场中的新挑战、新技术,并将新技术融入新一代产品设计中。

而之所以选择这样的设计理念,是因为“高压系统正变得越来越普遍”,尤其是随着电动汽车向800V电池过渡时,系统设计人员往往既需要确保车辆可靠和安全运行,又需要同时减小解决方案尺寸和降低成本,如果不能在隔离技术中集成更多功能,系统设计人员就将陷入寻找解决复杂隔离难题新方法的窘境中。

“想想现在电动汽车中的牵引逆变器,可能有六个栅极驱动器与驱动牵引逆变器关联,它们都通过一个偏置电源供电。”他进一步解释说,传统方式采用集中供电,使用一个 10W偏置电源在汽车中为牵引逆变器的各个分支配电,又大又重,而且存在可靠性问题。但新方案以不同方式解决了这一问题——偏置电源的尺寸缩小了 80%,使用小型芯片为每个牵引逆变器分支分配一个本地偏置电源,它仅提供足以运行功能所需的功率,尺寸更小、EMI更低并且更加可靠。

新型固态继电器可以在几微秒内通过单个隔离栅断开和连接负载,从而实现高压汽车系统的更安全运行,相比之下,机电继电器则需要数毫秒。TPSI3050-Q1提供高达 5kVRMS的增强型隔离,其工作寿命也比机电继电器高10倍,机电继电器的性能也会随着时间的推移而退化。此外,TPSI2140-Q1提供高达3.75kVRMS的基础型隔离,使其能够实现比固态光继电器高四倍以上的时间相关电介质击穿可靠性。 

TPSI3050-Q1评估模块

与机械继电器解决方案相比,TPSI3050-Q1通过集成隔离电源、数字隔离器和栅极驱动器的功能,可将解决方案尺寸缩小多达90%。与传统固态光继电器解决方案相比,TPSI2140-Q1通过集成信号FET和电阻器并消除了对舌簧继电器的需求,可将解决方案尺寸减小多达50%。

TPSI2140-Q1主要用于在电池管理和能源管理应用中可靠地连接和断开测量通道,例如隔离检查、电池组电压监测、直流环节电压监测、接触器监测和端口电压监测。可与BQ79631-Q1等电池组监测器配合使用,可比固态光继电器更快、更准确地检测800V电池管理系统中的绝缘故障。TPSI2140-Q1支持使用小于1MΩ的电阻器,并且承受的雪崩电流比传统光继电器多 300%,有助于实现更安全的人机交互。

其他两款新产品,UCC14240-Q1模块利用TI专有的集成变压器技术实现高功率密度、低电磁干扰和高可靠性,旨在支持汽车应用中半分布式和分布式偏置电源架构的行业趋势,是业内尺寸超小、精度超高的1.5W隔离式直流/直流偏置电源模块;AMC23C12结合了标准比较器的功能与电隔离屏障,可将解决方案尺寸缩小50%,同时可在不到400纳秒的时间内提供超快速的隔离式双向过流和过压检测。

AMC23C12评估模块

2020年,TI首次推出专有的集成变压器技术,缩小了隔离式电源传输,使其可纳入IC尺寸封装,实现了高密度隔离式直流/直流电源转换,同时可保持低EMI和高可靠性。UCC12050 5kVRMS隔离式直流/直流转换器是利用这种集成变压器技术开发的首款器件,效率为60%,尺寸缩小高达80%,主要面向需要隔离的工业应用,例如工业运输、电网基础设施、医疗设备、工厂自动化、楼宇自动化和电机驱动与控制等。

推出AMC23C12的背景在于对于大功率工业系统,例如电机驱动器和光伏逆变器、电动汽车充电器、牵引逆变器、车载充电器和直流/直流转换器等汽车系统来说,通过电流、电压和温度测量来诊断系统内任何交流电力线波动、机械或电气过载的故障检测机制必不可少。而在提高系统弹性和采用开关更快的晶体管(例如碳化硅和GaN)的要求下,人们对准确快速的故障检测的需求也越来越迫切。

不同隔离开关哪个更好?

传统继电器开关是机电继电器(EMR),在高压开关应用中很常见。EMR使用电磁力机械地打开和关闭触点。源于机械特性,其触点本质上是金属对金属连接,EMR导通电阻极低。

在开关速度和可靠性方面,继电器内部的活动部件是一个限制因素,开关速度通常在5ms到15ms范围内。随着使用时间的推移,EMR可能会出现诸如拱起、颤动和焊接闭合等故障。

与EMR不同,光继电器没有活动部件,可提供高隔离电压,是对传统EMR的改进。但是,其设计需要考虑可实现的功率传输限制,以及内部LED的老化等问题。此外,光继电器需要外部限流电阻器,通常还要使用额外的场效应晶体管(FET)来管理LED的开/关状态。

电容式和电感式隔离固态继电器(SSR)具有性能和成本优势,且适合不同级别的隔离(无论是基础型还是增强型)。Troy Coleman指出,与EMR相比,TPSI2140-Q1隔离式开关和TPSI3050-Q1隔离式驱动器具有更高的可靠性和更长的使用寿命,因为它们不会随着时间的推移而出现机械性能变差的情况。所以,SSR的寿命可靠性是传统EMR的10倍,几微秒内进行切换的速度也比EMR快几个数量级。

另一方面,由于不存在LED老化情况,也无需外部控制电路(因为逻辑电平输入可以直接驱动系统),因此与传统光继电器和光耦合器相比,TPSI2140-Q1和TPSI3050-Q1的可靠性也优于光继电器。下表定性地比较了这些隔离开关技术。

  机电继电器 光继电器 具有电容式和电感式隔离的 TI SSR
绝缘材料 空气或环氧树脂 环氧树脂或聚酰亚胺 聚酰亚胺或二氧化硅
介电强度 (1s) ≅1VRMS/µm≅20VRMS/µm ≅20VRMS/µm≅300VRMS/µm ≅300VRMS/µm≅500VRMS/µm
优势 低电阻 低电磁干扰 (EMI)辐射 高速 (µs)低功耗
劣势 低速 (ms)机械磨损、振动/磁抗扰度 光化降级和局部放电 必须设计为限制 EMI
工作环境温度 -40°C 至 85°C -40°C 至 85°C -40°C 至 125°C

现有开关解决方案的比较情况

“我们在设计中遇到的最大的挑战,是如何将如此多的功能集成到一个小封装中,同时必须保持高电压的隔离要求和爬电额定值。幸运的是,我们通过采用可靠的测试方法以及封装设计上的创新解决了上述问题。”Troy Coleman说。

责编:Lefeng.shao
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邵乐峰
ASPENCORE 中国区首席分析师。
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